鋼筋混凝土結構抗震思路的理解

牛彥蘭

摘要:鋼筋混凝土結構是我國工業與民用建筑中最常見的結構。正確掌握現在抗震設計方法還要理解抗震思路的由來,不僅要進行抗震理論計算,更要重視抗震的構造要求,采取適當的抗震技術措施確保結構安全。

關鍵詞:鋼筋混凝土 核心抗震 抗震設計 抗震構造

一、鋼筋混凝土抗震的理論及應用

自1932年M·A·Biot提出反應譜理論和1959年G·W·Housner給出世界上第一條設計譜以來,地震反應譜理論得到了全世界地震工程界的廣泛認同,也因此吸引了全世界包括我國地震工程科學家和工程師對此進行了深入的研究,研究表明,對于長周期(指彈性周期且T>1.0s)的結構可以適用“等位移法則”,即彈性體系與彈塑性體系的最大位移反應總是基本相同的;而對于中周期(指彈性周期且0.12s

二、鋼筋混凝土結構的抗震措施

我國抗震設計對鋼筋混凝土結構提出的是“高延性要求”,也就是要求結構在較大的屈服后塑性變形狀態下仍保持其豎向荷載和抗水平力的能力,具體做法是通過合理設計使柱端抗彎能力大于梁端從而使結構在地震作用下形成“梁鉸機構”,即塑性變形或塑性鉸出現在比較容易保證具有較大延性能力的梁端;通過相應提高構件端部和節點的抗剪能力以避免構件發生非延性的剪切破壞。其核心是:

(一)“強柱弱梁”措施

主要是通過人為增大相對于梁的抗彎能力,使塑性鉸更多的出現在柱端而不是梁端,讓結構在地震引起的動力反應中形成“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”,通過框架梁的塑性變形來耗散地震能量。

根據對構件在強震下非線線動力分析可知,強震下,由于構件產生塑性變形,因此可以耗散部分地震能量,同時根據桿系結構塑性力學的分析知道,在保證結構不形成機構的要求下,“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”相對與“柱鉸機構”而言,能夠形成更多的塑性鉸,從而能耗散更多的地震能量,因此我們需要加強柱的抗彎能力,引導結構在強震下形成更優、更合理的“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”。

這一套抗震措施理念已被世界各國所接受,但是對于耗能機構卻出現了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。這兩種思路都承認應該優先引導梁端出塑性鉸,但是雙方對柱端塑性鉸出現的位置和數量有分歧。

新西蘭追求理想的梁鉸機構,規范中底層柱的彎距增大系數比其它柱的彎距增大系數要小一些,這么做的目的是希望在強震下,梁端塑性鉸形成較為普遍,底層柱塑性鉸的出現比梁端塑性鉸遲,而其余所有的柱截面在大震下不出現塑性鉸的“梁鉸機構”。但是新西蘭人也不認為他們的理想梁鉸方案是唯一可用的方法,他們在規范中規定可以選用兩種方法,一種是上述的理想梁鉸機構法,另一種就是類似于美國的方法。

美國規范的做法則希望在強震下塑性鉸出現較早,柱端塑性鉸形成較遲,梁端塑性鉸形成得較普遍,柱端塑性鉸可能要形成得要少一些的“梁-柱塑性鉸機構”(柱端塑性鉸可以在任何位置形成,這一點是與新西蘭規范的做法是不同的)。中國規范和歐洲EC8規范也是采用與美國類似的方法。

(二)“強剪弱彎”措施

用剪力增大系數增大梁端,柱端,剪力墻端,剪力墻洞口連梁端以及梁柱節點中的組合剪力值,并用增大后的剪力設計值進行受剪截面控制條件驗算和受剪承載力設計,以避免在結構出現脆性的剪切破壞。

鋼筋混凝土的抗剪能力由混凝土自身的抗剪能力、裂縫界面的骨料咬合力、縱筋銷栓力和箍筋的拉力4部分構成,而通過對框架梁在強震下的抗剪分析可知,混凝土的梁端抗剪能力在形成塑性鉸后會比非抗震時有所下降,主要原因有以下幾個:

1.由結構力學和材料力學的分析可知,梁端總是正剪力大于負剪力,如果發生剪切破壞時,剪壓區一般都在梁的下部,而此時混凝土保護層已經剝落,且梁下端又沒有現澆板,所以混凝土剪壓區的抗剪能力會比非抗震時偏低。

2.由于在強震下剪切破壞要發生在塑性鉸充分轉動的情況下,而非抗震時的剪切破壞往往發生在縱筋屈服之前,因此在抗震條件下混凝土的交叉裂縫寬度會比非抗震情況偏大,從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應慢慢退化,加之斜裂縫反復開閉,混凝土體破壞更嚴重,這使得混凝土的抗剪能力進一步被削弱。

3.混凝土保護層的剝落和裂縫的加寬又會使縱筋的抗剪銷栓作用有所退化。

我們一般在計算鋼筋混凝土的抗剪能力時,只計算了混凝土自身的抗剪能力和箍筋的抗剪能力(V=Vc+Vsv),而把斜裂縫界面中的骨料咬合能力及縱筋的銷栓作用作為它多余的強度儲備。在抗震下梁端的塑性鉸的形成,使得骨料咬合力及縱筋的銷栓作用有所下降,鋼筋混凝土的抗剪強度儲備也會下降,同時由于混凝土的抗剪能力(Vc)的下降,V也會比非抗震時小,如果咬使V不變,那么就只有使Vsv變大,即增加箍筋用量,所以我們可以得出這樣的結論,在抗震情況下箍筋用量比非抗震時要大一些,這不是因為地震使梁的剪力變大了而增加箍筋用量,而是由于混凝土項的抗剪能力下降,相應的必須加大箍筋用量。其他構件的原理也相似。

(三)抗震構造措施

通過相應構造措施保證可能出現塑性鉸的部位具有所需足夠的延性,具體來說就是塑性轉動能力和塑性耗能能力。

對于梁柱等構件,延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點:混凝土極限壓應變,破壞時的受壓區高度。影響延性的其他因素實質都是這兩個根本因素的延伸。

對于梁而言,無論是對不允許柱出現塑性鉸(底層柱除外)的新西蘭方案,還是允許柱出現塑性鉸但控制其出現時間和程度的方案,梁端始終都是引導出現塑性鉸的主要部位,所以都希望梁端的塑性變形有良好的延性(即不喪失基本抗彎能力前提下的塑性變形轉動能力)和良好的塑性耗能能力。因此除計算上滿足一定的要求外,還要通過的一系列嚴格的構造措施來滿足梁的這種延性。

1.控制受拉鋼筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率,前者是為了使受拉鋼筋屈服時的混凝土受壓區壓應變與梁最終破壞時的極限壓應變還有一定的差距(梁的最終破壞一般都以受壓區混凝土達到極限壓應變,混凝土被壓碎為標志的);后者是保證梁不會在混凝土受拉區剛開裂時鋼筋就屈服甚至被拉斷。

2.保證梁有一定的受壓鋼筋。受壓鋼筋可以分擔部分剪力,減小受壓區高度,另外在大震下,梁端可能出現正彎距,下部鋼筋有可能受拉。

3.保證箍筋用量,用法。箍筋的作用有三個,一是抗剪;二是規定箍筋的最小直徑,保證縱筋在受壓下不會過早的局部失穩;三是通過箍筋約束受壓混凝土,提高其極限壓應變和抗壓強度。

4.對截面尺寸的要求。規范規定框架梁截面尺寸宜符合下列要求:(1)截面寬度不宜小于200mm;(2)截面高度與寬度的比值不宜大于4;(3)凈跨與截面高度的比值不宜大于4。一般我們把跨高比小于5的梁稱為深梁,深梁的抗彎和抗剪機理與一般的梁(跨高比大于5的梁)有所不同,所以我們在設計中最好能避免設計成深梁。

柱除了受彎距和剪力以外,還要承受軸力(梁的軸力一般都很小,在設計中都不予以考慮),尤其是高層建筑,軸力就更大了,所以柱還有對軸壓比的限制,其中對不同烈度下有著不同延性要求的結構有著不同的軸壓比限值;另外,柱端箍筋用量的控制條件不是簡單的用體積配箍率,而是用配箍特征值,它同時考慮了箍筋強度等級和混凝土強度等級對配箍量的影響。

三、鋼筋混凝土的抗震分析方法

結構抗震設計的首要任務就是對結構最大地震反應的分析,以下是一些常用的抗震分析方法:

(一)底部剪力法

底部剪力法實際上時振型分解反應譜法的一種簡化方法。它適用于高度不超過40m,結構以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的框架結構,此時假設結構的地震反應將以第一振型為主且結構的第一振型為線性倒三角形,通過這兩個假設,我們可近似的算出每個平面框架各層的地震水平力之和,即“底部剪力”,此方法簡單,可以采用手算的方式進行,但精確度不高。

(二)振型分解反應譜法

振型分解反應譜法的理論基礎是地震反應分析的振型分解法及地震反應譜概念,它的思路是根據振型疊加原理,將多自由度體系化為一系列單自由度體系的疊加,將各種振型對應的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結構總的地震作用、作用效應。此法計算精度高,但計算量大,必須通過計算機來計算。

(三)彈性時程分析

彈性時程分析法,也稱為彈性動力反應分析。所謂時程分析法就是將建筑物作為彈性或彈塑性振動系統,直接輸入地面地震加速度記錄,對運動方程直接積分,從而獲得計算系統各質點的位移,速度,加速度和結構構件地震剪力的時程變化曲線。而彈性時程分析法就是把建筑物看成是彈性振動系統。

(四)非線(彈)性時程分析

非彈性時程分析法,也稱為非線性動力反應分析。就是將建筑物作為彈塑性振動系統來輸入地面地震加速度記錄。時程分析法就可以準確而完整的反映結構在強烈地震作用下反應的全過程狀況。所以,它是改善結構抗震能力和提高抗震設計水平的一項重要措施。

(五)非線(彈)性靜力分析

非線(彈)性靜力分析主要是指推覆方法,它從本質上說是一種靜力分析方法,對結構進行靜力單調加載下的彈塑性分析。具體地說,在結構分析模型上施加按某種方式模擬地震水平慣性力的側向力,并逐級單調加大。構件一旦開裂或屈服,修改其剛度;直到結構達到預定的狀態(成為機構、位移超限或達到目標位移)。

參考文獻:

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(作者單位:河北省涉縣崇利制鋼有限公司)